《軌道交通電機(jī)及電氣控制技術(shù)》 課件 2.4步進(jìn)電機(jī)

主講教師：步進(jìn)電機(jī)電脈沖信號(hào)機(jī)械角位移或直線位移步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)

步進(jìn)電機(jī)是將脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械角位移或直線位移的一種控制電動(dòng)機(jī)。步進(jìn)電機(jī)每接收一個(gè)脈沖，轉(zhuǎn)子就轉(zhuǎn)過(guò)相應(yīng)的角度（步距角）。轉(zhuǎn)子的角位移的大小和轉(zhuǎn)速與輸入脈沖的數(shù)量及其頻率成正比，轉(zhuǎn)向與繞組通電的相序有關(guān)。步進(jìn)電機(jī)定義反應(yīng)式永磁式混合式步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)分類(lèi)步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)結(jié)構(gòu)三相反應(yīng)式步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的定子內(nèi)圓周均勻分布著六個(gè)磁極，磁極上有勵(lì)磁繞組，每?jī)蓚€(gè)相對(duì)的繞組組成一相。轉(zhuǎn)子有四個(gè)齒。定子和轉(zhuǎn)子均為軟磁材料制成，利用磁阻的變化產(chǎn)生反應(yīng)轉(zhuǎn)矩的步進(jìn)電機(jī)ABCIAIBIC定子轉(zhuǎn)子步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作原理ABCIAIBIC定子轉(zhuǎn)子

勵(lì)磁繞組通電后磁通經(jīng)過(guò)轉(zhuǎn)

子形成閉合回路，若磁場(chǎng)軸線與轉(zhuǎn)子存

在一定角度，則在磁場(chǎng)作用下，轉(zhuǎn)子被磁化，吸引轉(zhuǎn)子，使轉(zhuǎn)子的位置力圖使

其磁路的磁阻最小，使轉(zhuǎn)子和定子的齒對(duì)齊。

轉(zhuǎn)子與定子間相對(duì)位置不同，磁路的磁阻也不同：齒-齒相對(duì)時(shí)，磁路的磁阻最?。积X-槽相對(duì)時(shí)，磁路的磁阻最大。30°步進(jìn)電機(jī)反應(yīng)式步進(jìn)電機(jī)工作過(guò)程現(xiàn)以A BC A的通電順序，使三相繞組輪流通入直流電流，分析轉(zhuǎn)子的運(yùn)動(dòng)情況“單”是指每次只有一相控制繞組通電“雙”是指每次有兩相控制繞組通電三相單、雙六拍A-AB-B-BC-C-CA-A或A-AC-C-CB-B-BA-A三相雙三拍AB-BC-CA-AB或AC-CB-BA-AC三相單三拍A-B-C-A或A-C-B-A注步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作原理CBB'C'A3A'14 2a.三相單三拍“三相”指三相步進(jìn)電機(jī)；“單”指每次只能一相繞組通電；“三拍”指通電三次完成一個(gè)通電循環(huán)。A相繞組通電，B、C相不通電。氣隙產(chǎn)生以A-

A′為軸線的磁場(chǎng)，而磁力線總是力圖從磁阻最小的路徑通過(guò)，故電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子受到一個(gè)反應(yīng)轉(zhuǎn)矩，在此轉(zhuǎn)矩的作用下，轉(zhuǎn)子必然轉(zhuǎn)到左圖所示位置：1、3齒與A、A′極對(duì)齊。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作原理B相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子會(huì)轉(zhuǎn)過(guò)30°角，2、4齒和B、B'磁極軸線對(duì)齊；C相通電時(shí)，轉(zhuǎn)子再轉(zhuǎn)過(guò)30°角，1、3齒和C'、C磁極軸線對(duì)齊。A通B通C通CA的順序給三相繞組輪流通電。這種方式可b.三相六拍按A

AB

B

BC C以獲得更精確的控制特性。CBB'C'A14 23A'CA'BB'C'A4132A相通電，轉(zhuǎn)子1、3齒與A、A'

對(duì)齊。A、B相同時(shí)通電，A、A'磁極拉住1、3齒，B、B'磁極拉住2、4齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15

步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作原理b.三相六拍CA'BB'C'A41324132CA'BB'C'AB相通電，轉(zhuǎn)子2、4齒與B、B'對(duì)齊。B、C相同時(shí)通電，B、B'磁極拉住2、4齒，C、C'磁極拉住1、3齒，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15

步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作原理步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)工作原理b.三相六拍按A

AB

B

BC C

CA的順序給三相繞組輪流通電。每拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)15°(步距角)，一個(gè)通電循環(huán)周期(6拍)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)90°(齒距角)。與單三拍相比，六拍驅(qū)動(dòng)方式的步距角更小，更適用于需要精確定位的控制系統(tǒng)中。通過(guò)改變通電順序即可實(shí)現(xiàn)改變轉(zhuǎn)向

360

Zr

mAB' C'14 2C 3 BA'Zr=40m=3，或6步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分實(shí)際結(jié)構(gòu)一般步進(jìn)電動(dòng)機(jī)最常見(jiàn)的步距角是3°或1.5°。由上式可知，轉(zhuǎn)子上不只4個(gè)齒（齒距角90°），而有40個(gè)齒（齒距角為9°）。為了使轉(zhuǎn)子齒與定子齒對(duì)齊，兩者

的齒寬和齒距必須相等。展開(kāi)結(jié)構(gòu)

360

Zr

m步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分Zr

m

360

步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)動(dòng)精度和步距角有關(guān)，

但是步距角的大小受到電機(jī)結(jié)構(gòu)的限制，而小步距角電動(dòng)機(jī)加工比較困難。

為使步進(jìn)電機(jī)有更小的步距角，通常采用細(xì)分步距角的方法：每次輸入脈沖切換時(shí)，不是將繞組電流全部輸入或切除，而是改變繞組中額定電流的一部分，從而使步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)子在每步運(yùn)動(dòng)時(shí)只轉(zhuǎn)過(guò)步距角的一部分。這種將一個(gè)步距角細(xì)分為若干小步、每一小步只有步距角的一部分的驅(qū)動(dòng)方法稱(chēng)為細(xì)分。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分A-AB-B-BC-C-CA-A按三相六拍四細(xì)分驅(qū)動(dòng)時(shí)序未細(xì)分前步距角=15度，

細(xì)分后為15/4=3.75度。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分CBB'C'A413A'2

步進(jìn)電機(jī)的細(xì)分，其主要目的是提高電機(jī)的運(yùn)轉(zhuǎn)精度。其次，減弱或消除步進(jìn)電機(jī)的低頻振動(dòng)（細(xì)分本質(zhì)是一種電子阻尼技術(shù)

），低頻振蕩是步進(jìn)電機(jī)（尤其是反應(yīng)式電機(jī)）的固有特性，而細(xì)分是消除它的唯一途徑，如果步進(jìn)電機(jī)有時(shí)要在共振區(qū)工作，選擇細(xì)分是唯一的選擇。

“阻尼”是指在振動(dòng)系統(tǒng)，由于外界作用或系統(tǒng)本身固有的原因引起的振動(dòng)幅度逐漸下降的特性。

例如：某步進(jìn)電機(jī)“固有步距角”=1.8。，脈沖頻率=200Hz，則電機(jī)轉(zhuǎn)速為1轉(zhuǎn)/秒，該轉(zhuǎn)速為工作轉(zhuǎn)速，對(duì)應(yīng)頻率正好位于步進(jìn)電機(jī)的共振區(qū)域內(nèi)，電機(jī)工作時(shí)出現(xiàn)振動(dòng)。

如何保證電機(jī)轉(zhuǎn)速仍然為1轉(zhuǎn)/秒，且不出現(xiàn)共振現(xiàn)象呢？

選擇細(xì)分是唯一的選擇：例如，采用4細(xì)分后，實(shí)際步距角=

1.8。/4=0.45。，保證電機(jī)轉(zhuǎn)速仍為１轉(zhuǎn)／秒，則脈沖頻率=800Hz，進(jìn)而避開(kāi)200Hz的共振點(diǎn)。

細(xì)分后的主要優(yōu)點(diǎn)為：完全消除了電機(jī)的低頻振蕩；提高了電機(jī)的輸出轉(zhuǎn)矩，尤其是對(duì)三相反應(yīng)式電機(jī)，其力矩比不細(xì)分時(shí)提高約30-40%

；提高了電機(jī)的分辨率，由于減小了步距角、提高了步距的均勻度。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)細(xì)分A一拍：一

相通電狀態(tài)到另一相通電狀態(tài)的變換B 步距角：每一拍轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)過(guò)的角度360mZC

θ-----步距角m----拍數(shù)Z-----轉(zhuǎn)子的齒數(shù)C-----通電狀態(tài)系數(shù)單拍或雙拍工作時(shí)C＝1

單、雙混合工作時(shí)C＝2步距角公式步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)基本概念轉(zhuǎn)速改變?nèi)嗫刂评@組ABC通、斷電源的頻率轉(zhuǎn)向改變?nèi)嗬@組ABC的通電順序f----步進(jìn)電機(jī)每秒的步數(shù)（或每秒的拍數(shù)），稱(chēng)為步進(jìn)電機(jī)的通電脈沖頻率。60

f

mZCn

步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)速步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)基本概念步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器脈沖數(shù)=拍數(shù)角位移量定位位置控制脈沖頻率速度和加速度調(diào)速速度控制步距角： 轉(zhuǎn)子齒數(shù)運(yùn)行拍數(shù)細(xì)分脈沖控制方向控制細(xì)分步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝與接線步進(jìn)電機(jī)是一種將電脈沖信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械運(yùn)動(dòng)的特種電機(jī)，每接收到一個(gè)脈沖信號(hào)就轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度，稱(chēng)為“步距角”。步進(jìn)電機(jī)在使用時(shí)，必須配合步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器，這是因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)無(wú)法直接接收脈沖信號(hào)來(lái)控制其運(yùn)動(dòng)，必須通過(guò)驅(qū)動(dòng)器來(lái)將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移，從而使其能夠正常工作。下面我們以步科（Kinco）三相步進(jìn)電機(jī)（3S57Q-04079）和步科驅(qū)動(dòng)器（3M458）為例，介紹步進(jìn)電機(jī)和步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的一般接線。步進(jìn)電機(jī)步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝與接線步科（Kinco）三相步進(jìn)電機(jī)（3S57Q-04079）的步距角在整步方式下為1.8°，半步方式下為0.9°，其部分技術(shù)參數(shù)如表4-1所示。表4-13S57Q-04079部分技術(shù)參數(shù)參數(shù)名稱(chēng)步距角相電流（A）保持扭矩阻尼扭矩電機(jī)慣量參數(shù)值1.8°5.8A1.0Nm0.04Nm0.3kg.cm2步科三相步進(jìn)電機(jī)（3S57Q-04079）步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝與接線不同的步進(jìn)電機(jī)的接線有所不同，3S57Q-04079接線圖如圖4-4所示，三個(gè)相繞組的六根引出線，必須按頭尾相連的原則連接成三角形。線色電機(jī)信號(hào)紅色U橙色藍(lán)色V白色黃色W綠色圖4-43S57Q-04079的接線步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝與接線在3M458步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器的側(cè)面連接端子中間有一個(gè)紅色的八位DIP功能設(shè)定開(kāi)關(guān)，可以用來(lái)設(shè)定驅(qū)動(dòng)器的工作方式和工作參數(shù)，包括細(xì)分設(shè)置、靜態(tài)電流設(shè)置和運(yùn)行電流設(shè)置。步科驅(qū)動(dòng)器（3M458）圖4-53M458DIP開(kāi)關(guān)功能劃分說(shuō)明步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝與接線步科驅(qū)動(dòng)器（3M458）表4-2細(xì)分設(shè)置表DIP1DIP2DIP3細(xì)分ONONON400步/轉(zhuǎn)ONONOFF500步/轉(zhuǎn)ONOFFON600步/轉(zhuǎn)ONOFFOFF1000步/轉(zhuǎn)OFFONON2000步/轉(zhuǎn)OFFONOFF4000步/轉(zhuǎn)OFFOFFON5000步/轉(zhuǎn)ONOFFOFF10000步/轉(zhuǎn)表4-3輸出電流設(shè)置表DIP5DIP5DIP5DIP5輸出電流OFFOFFOFFOFF3.0AOFFOFFOFFON4.0AOFFOFFONON4.6AOFFONONON5.2AONONONON5.8A步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器安裝與接線步科（Kinco）三相步進(jìn)電機(jī)（3S57Q-04079）的步距角為1.8度，即